專利名稱：發(fā)光二極管散熱裝置組合的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)光源裝置，特別是關(guān)于具有高散熱效率的發(fā)光二極管散熱裝置組合。
背景技術(shù)：
發(fā)光二極管(LED, Light-emitting Diode)作為發(fā)光源由于具有高效益的特 性，而在汽車、交通信號燈指示、屏幕顯示，甚至照明等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 隨著高功率、高亮度發(fā)光二極管的發(fā)展，發(fā)光二極管的應(yīng)用范圍也越來越廣， 但是由于目前發(fā)光二極管的輸入功率只有15-20%轉(zhuǎn)換成光，近80-85%轉(zhuǎn)換 成熱，因?yàn)殡S著發(fā)光二極管界面溫度(Junction Temperature)的升高，發(fā)光二極 管的發(fā)光效益將顯著下降，而它所散發(fā)出的熱量能否及時(shí)導(dǎo)出或散發(fā)出去， 將成為影響發(fā)光二極管發(fā)光品質(zhì)與壽命的關(guān)鍵因素，嚴(yán)重影響其發(fā)光亮度及 縮短其使用壽命。
現(xiàn)有發(fā)光二極管的散熱結(jié)構(gòu)，基本構(gòu)成為發(fā)光二極管通過導(dǎo)熱膏等導(dǎo)熱 介質(zhì)貼于一電路板上，并將一散熱器設(shè)于電路板下方，通常該散熱器包括一 底座及形成于該底座上的若千散熱片。由于該P(yáng)CB的材料一般為高分子材 料，其導(dǎo)熱性能差，且發(fā)光二極管與電路板、電路板與散熱器之間均形成接 觸界面，通常在這些界面中涂布導(dǎo)熱膏等導(dǎo)熱介質(zhì)，以填充這些界面中的空 氣間隙，然而導(dǎo)熱膏的熱傳導(dǎo)系數(shù)一般在2 5W/(m。K)左右，嚴(yán)重影響發(fā)光二 極管至散熱器之間熱量的傳遞，導(dǎo)致發(fā)光二極管的熱量無法及時(shí)傳遞至散熱 器上進(jìn)行散發(fā)，
為了提高傳熱效果，業(yè)界亦有同時(shí)采用在PCB板上設(shè)置上下貫穿的穿孔 (Through holes),作為熱傳渠道(Thermal vias)增加熱傳遞，雖然以這些穿孔作 為熱傳渠道可以增強(qiáng)熱傳效果，但改善效果有限，且受PCB板放置方向性的 影響較大，在水平及垂直應(yīng)用時(shí)均會(huì)受到方向性的影響，而在水平熱傳遞效 果較差，主要是熱源即LED產(chǎn)生的熱量位于上方，而散熱器位于下方，穿孔 內(nèi)的空氣對流效果較差，達(dá)到降低熱阻的效果有限。因而需要降低發(fā)光二極 管至散熱器之間的熱阻，以期達(dá)到提升發(fā)光二極管與散熱器之間的熱傳遞效率。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，在此實(shí)有必要提供一種具較高散熱效率的發(fā)光二極管散熱裝 置組合。
—種發(fā)光二極管散熱裝置組合，包括一電路板，電連接于該電路板上的 至少一發(fā)光二極管及置于電路板另一側(cè)的散熱器，電路板上設(shè)有貫穿的若干 通孔，該通孔內(nèi)填充有由納米材料與高分子材料制成的第一熱界面材料，該 第一熱界面材料將發(fā)光二極管和散熱器熱性連接。
一種發(fā)光二極管散熱裝置組合，包括一電路板、電連接于該電路板上面 的至少一發(fā)光二極管及與電路板相連接一散熱器，該電路板上設(shè)有若干貫穿 的通孔，該通孔內(nèi)填充有由納米材料與高分子材料制成的第一熱界面材料， 該散熱器包括一傳熱元件，該傳熱元件內(nèi)設(shè)置有產(chǎn)生相變化作用的工作流體， 該第一熱界面材料將發(fā)光二極管和該傳熱元件熱性連接。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明利用該由納米材料與高分子材料制成的第 一熱 界面材料的高熱傳導(dǎo)性能將該發(fā)光二極管所產(chǎn)生的熱量傳遞至散熱器，從而 達(dá)到減小熱阻的功效，有效解決高發(fā)熱量發(fā)光二極管的散熱問題。
下面參考附圖，結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
圖1是本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合第一實(shí)施例的軸向剖視圖。
圖2是本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合第二實(shí)施例的軸向剖視圖。
圖3是圖2沿m-ni線的徑向剖視圖。
圖4是本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合第三實(shí)施例的軸向剖視圖。
圖5是圖4沿V-V線的徑向剖視圖。
圖6是本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合第四實(shí)施例的剖視圖。
圖7是圖6沿VII-VII線的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，為本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合的第一實(shí)施例，其包括
一可繞性材料構(gòu)成的電路板10、設(shè)于該電路板10下方的發(fā)光二極管20及設(shè) 于該電路板10上方并與該發(fā)光二極管20熱性連接的一散熱器40。
該電路板10上設(shè)有銅線路12,發(fā)光二極管20貼設(shè)于電路板10具有銅 線路12的一面上，并通過兩接觸腳20a、 20b分別與該電路板IO上的銅線路 12電連接。該電路板10上對應(yīng)于發(fā)光二極管20的地方設(shè)有貫穿電路板10 上下表面的多個(gè)通孔102。本實(shí)施例中僅示出4個(gè)通孔102,實(shí)際上該通孔 102的數(shù)量和位置可根據(jù)每一發(fā)光二極管20的大小而設(shè)置，使發(fā)光二極管20 的熱量能快速均勻地透過通孔102傳遞出去。
該散熱器40包括設(shè)于該電路板10下方的一鋁基板41及與該鋁基板41 連接的一柱型熱管42。該電路板10上的多個(gè)通孔102內(nèi)填充有由具高熱傳 導(dǎo)系數(shù)的納米碳管(Carbon Nanotubes)制成的第一熱界面材料l40,該發(fā)光二 極管20與電路板IO之間填充有由具高熱傳導(dǎo)系數(shù)的納米碳管制成的第二熱 界面材料142,該電路板10與基板41之間填充有由具高熱傳導(dǎo)系數(shù)的納米 碳管制成的第三熱界面材料143。該第一、第二、第三熱界面材料"0、 "2、 143均由納米材料如納米顆粒、納米碳管與高分子材料(Macromolecular Material)如石蠟(Paraffin)、聚丙烯(polypropylene)等組成的納米碳管熱界面材 料，本實(shí)施例中，該納米材料選自納米碳管。
以石蠟為例，制作一非陣列式石蠟相變的納米碳管熱界面材料，包括將 石蠟、納米碳管及N-N二曱基曱酰胺(C3H7NO)以100:3:100的比例混合，加 熱至70 8(TC后，放置于行星球磨機(jī)進(jìn)行球磨混合約1個(gè)小時(shí)，使納米碳管 均勻分布在石蠟溶液中。然后將球磨后的混合物用濾紙過濾，并將濾凈的混 合物風(fēng)干，再將風(fēng)干后的混合物加熱熔融后放至一切片模具中，熔融的混合 物均勻分布于切片模具中后，待其自然冷卻，最后將該冷卻后的初胚樣品置 于l(TC以下的低溫環(huán)境中冷藏約20分鐘，使其凝固、容易脫模，并將脫模 后的石蠟納米碳管切削成所需厚度和形狀，若切割后的巻曲了，可置于4(TC 左右的溫水中，即可恢復(fù)平坦。
同樣，以石蠟為例，制作一陣列式石蠟相變的納米碳管熱界面材料包括 采用化學(xué)氣相沉積法(Chemical Vapor Deposition CVD)在基板，如硅片上生長 納米碳管陣列，然后將帶有納米碳管陣列的硅片置入熔融的石蠟溶液中，并 共同置于一可抽中空的容器中進(jìn)行抽真空，使納米碳管陣列中的空氣排出而 由石蠟溶液填充，取出后冷卻、切削形成。
目前，業(yè)界制備納米碳管熱界面材料的技術(shù)亦有采用多種不同的方式， 比如清華大學(xué)專利申請公開第200410027249.8號揭露的一種大量制造均一 長度納米碳管的方法，包括以下步驟提供一納米碳管陣列；將納米碳管陣 列浸潤于液相高分子體系；使液相高分子體系轉(zhuǎn)化為固相，生成分布有納米 碳管的高分子復(fù)合材料；在納米碳管陣列預(yù)定高度，沿垂直于納米碳管陣列軸向切割該高分子復(fù)合材料，去除納米碳管陣列頂端的高分子材料并使得納
米碳管尖端開口；按照預(yù)定厚度切割上述高分子復(fù)合材料，形成厚度均勻的 高分子復(fù)合材料薄膜；去除高分子復(fù)合材料薄膜中的高分子材料，得到大量 長度均一的納米> 灰管。清華大學(xué)專利申請公開第200410026846.9號揭露之一 種熱界面材料及其制造方法，步驟為先生長納米碳管陣列，接著放入至由高 分子材料組成的溶劑中，待固化后形成載體，最后經(jīng)由裁切成適當(dāng)高度并同 時(shí)于每一納米碳管兩端形成折彎，即得到該納米碳管陣列嵌入至該載體中的 熱界面材料。清華大學(xué)專利申請公開第200410026778.6號揭露之一種熱界面 材料及其制造方法，步驟為先生長納米碳管陣列，接著放入至由高分子材料 組成的溶劑中，待固化后形成載體，最后經(jīng)由裁切成適當(dāng)高度，即得到該納 米碳管陣列嵌入至該載體中的熱界面材料(TIM)。又如Intel之美國專利第 6965513號揭示之一種納米碳管熱界面材料，包括至少一納米碳管束(at least one carbon nanotube bundle)及一填隙式才才料(an interstitial material),該納米碳 管束嵌入至該填隙式材料中。
填充于通孔102內(nèi)的第 一熱界面材料140 —般采用生長較高的納米碳管， 本實(shí)施例中第 一熱界面材料140采用的納米碳管高為1mm,且外形為圓柱型。 而填充于該發(fā)光二極管20與電路板10之間以及該電路板10與基板41之間 的第二、第三熱界面材料142、 143則采用較薄片狀的納米碳管，其高度一般 在0.05mm lmm之間變化，本實(shí)施例中第二、第三熱界面材料142、 143均 采用的納米碳管厚度約為0.05mm的納米材料薄層，并與第一熱界面材料140 的上、下端連接。納米碳管的熱傳導(dǎo)系數(shù)為3000 6600W/m°C,利用納米碳 管形成的第一、第二、第三熱界面材料140、 142、 143填充于發(fā)光二極管20 與基板41之間形成高效的傳熱路徑，大大減小了熱量從發(fā)光二極管20傳遞 至基板41間的熱阻。
該基板41的頂面與發(fā)光二極管20相對設(shè)有一凹口 412，該熱管42包括 一連接端426,該連接端426收容于基板41的凹口 412內(nèi)，且與基板41鋁 硬焊結(jié)合，該連接端426具有一平整的端面。該熱管42管外設(shè)有若干散熱片 424,熱管42內(nèi)呈真空狀態(tài)且填充有低沸點(diǎn)的冷媒425，如氨(麗3)、曱醇 (CH40)、乙醇(C2H60)等用于傳熱的工作流體，利用該工作流體受熱和冷卻 在氣、液兩態(tài)間轉(zhuǎn)變時(shí)，吸收或放出大量的熱量而使熱量均布于整個(gè)熱管42， 并通過該熱管42外表的散熱片424將熱量散發(fā)出去，熱管42的內(nèi)側(cè)壁上經(jīng) 燒結(jié)、或鋪設(shè)金屬絲網(wǎng)目或者纖維網(wǎng)目而形成毛細(xì)結(jié)構(gòu)422，通過該毛細(xì)結(jié) 構(gòu)422可產(chǎn)生毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)冷卻后的液體回流。該熱管42以冷媒425為工作流體，因而該熱管42不會(huì)因凍結(jié)而造成漲管及管裂，可適應(yīng)在煒度偏北區(qū) 域的發(fā)光二極管照明應(yīng)用。
工作時(shí)，該發(fā)光二極管20產(chǎn)生的熱量經(jīng)由該第二、第一、第三熱界面材 料142、 140、 143快速有效地傳遞至基板41及與該基板41結(jié)合的熱管42 上，該熱管42內(nèi)的冷媒425吸熱沸騰產(chǎn)生相變化而將吸收的熱量快速均勻的 分布于熱管42的壁面，并通過管外的散熱片424散發(fā)出去。利用該第一、第 二、第三熱界面材料140、 142、 143中納米材料的高熱傳導(dǎo)性，可將發(fā)光二 極管20的熱量快速有效地傳遞至基板41及散熱器40上，相比現(xiàn)有技術(shù)中通 過涂布一般導(dǎo)熱膏等導(dǎo)熱介質(zhì)的方式而言，極大程度上減小了熱量從發(fā)光二 極管20傳導(dǎo)至散熱器40上的熱阻，且在實(shí)際運(yùn)用過程中不受方向性的影響， 再利用熱管42相變傳熱的快速輸送大量熱能、溫度分布均勾、遠(yuǎn)距傳輸?shù)奶?性將熱量快速地分布于熱管42并通過散熱片424散發(fā)，達(dá)到快速且充分傳導(dǎo) 熱量的目的，減小熱量從熱管42內(nèi)到管外散熱片424從而散發(fā)出去這一過程 中的熱阻，確保發(fā)光二極管20正常工作并維持最大發(fā)光亮度。
為了降低熱量從基板41傳遞至熱管42的熱阻，亦可直接將發(fā)光二極管 20設(shè)于熱管42上而省去基板41，如圖2所示為本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置 組合的第二實(shí)施例，發(fā)光二極管20直接貼i殳于熱管42a的連接端426a的平 整的端面上，本實(shí)施例中的散熱器40a由熱管42a及設(shè)于熱管42a外圍的若 干散熱片424a構(gòu)成，如圖3所示為該散熱器40沿m-ni的剖面圖，本實(shí)施例 中，該熱管42a由鋁材通過擠壓一體成型，于管外一體形成若干散熱片424a， 同時(shí)于熱管42a的內(nèi)側(cè)壁鋁擠產(chǎn)生微細(xì)溝槽421,通過該內(nèi)側(cè)壁上的溝槽421 可產(chǎn)生毛細(xì)作用力驅(qū)動(dòng)冷卻后的液體回流，而熱管42a的連接端426a的端面 內(nèi)壁上則采用由網(wǎng)目、纖維、多孔隙或復(fù)合毛細(xì)結(jié)構(gòu)422。該第二實(shí)施例中， 發(fā)光二極管20的熱量直接傳導(dǎo)至熱管42a上，省去了上述第一實(shí)施例中的鋁 基板41，節(jié)省了生產(chǎn)成本及組裝步驟，而且發(fā)光二極管20熱量的熱傳路徑 進(jìn)一步簡化，更進(jìn)一步減少了熱阻的產(chǎn)生，特別適應(yīng)于單個(gè)高功率發(fā)光二極 管的散熱情況。本實(shí)施例中的溝槽421亦可由網(wǎng)目、纖維、多孔隙或復(fù)合毛 細(xì)結(jié)構(gòu)替代。
如圖4所示為本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合的第三實(shí)施例，其與上述 實(shí)施例的區(qū)別在于該散熱器40b中的熱管42b由原來的軸向散熱方式改采用 徑向散熱方式，可同時(shí)針對一發(fā)光二極管陣列進(jìn)行散熱，即將多顆發(fā)光二極 管20置于熱管42b的軸向平面上進(jìn)行散熱。與上述實(shí)施例相同，電路板10 對應(yīng)每一發(fā)光二極管20設(shè)有若干貫穿的通孔102,每一電路板10上布有銅
線路12，該發(fā)光二極管20貼設(shè)于電路板10上，并通過兩接觸腳20a、 20b 分別與電路板IO上的銅線路12形成電連接。請一并參照圖5，本實(shí)施例中， 該熱管42b由鋁材一體^^壓制成，該鋁制熱管42b沿軸向鋁擠形成，并于鋁 擠過程中于一側(cè)形成一平面428,用以承栽該多個(gè)發(fā)光二極管20,熱管42b 的內(nèi)側(cè)壁鋁擠產(chǎn)生微細(xì)溝槽421,熱管42b外鋁擠形成若干散熱片424b。該 多個(gè)通孔102內(nèi)填充有由具高熱傳導(dǎo)系數(shù)的納米碳管制成的第一熱界面材料 140，該發(fā)光二極管20與電^各板10之間以及該電路板10與熱管42b的平面 428之間分別填充有由具高熱傳導(dǎo)系數(shù)的納米碳管制成的第二、第三熱界面 材料142、 143。該實(shí)施例中，多個(gè)發(fā)光二極管20的熱量可直接傳導(dǎo)至熱管 42b上，簡化了熱傳路徑，并適應(yīng)于對多個(gè)高功率發(fā)光二極管進(jìn)行散熱的情 況，提高了發(fā)光亮度及散熱效率。本實(shí)施例中的溝槽421亦可由網(wǎng)目、纖維、 多孔隙或復(fù)合毛細(xì)結(jié)構(gòu)替代。
本發(fā)明上述實(shí)施方式中的熱管42、 42a、 42b也可為其它內(nèi)部設(shè)置有工作 流體的傳熱元件。如圖6揭示為本發(fā)明發(fā)光二極管散熱裝置組合的第四實(shí)施 例，該實(shí)施方式中的散熱器40c是采用具有較大接觸平面的平板狀蒸發(fā)腔 42c(Vapor Chamber)對一發(fā)光二極管陣列進(jìn)行散熱，該蒸發(fā)腔42c的底面形成 平整的表面供多顆發(fā)光二極管20貼設(shè)，該蒸發(fā)腔42c內(nèi)亦填充有工作流體， 利用工作流體的蒸發(fā)吸熱達(dá)到均熱的目的，并通過設(shè)于蒸發(fā)腔42c上的若干 散熱片424c而將蒸汽冷凝并將熱量及時(shí)散發(fā)出去。圖7為圖6沿VII-VII線的 剖視圖，該蒸發(fā)腔42c內(nèi)還設(shè)置有若干肋狀結(jié)構(gòu)426c,該肋狀結(jié)構(gòu)426c可 加強(qiáng)該蒸發(fā)腔42c結(jié)構(gòu)的穩(wěn)固性，且可起到加強(qiáng)散熱的效果，該散熱片424c 及肋狀結(jié)構(gòu)426c與蒸發(fā)腔42c的腔體均為鋁擠一體成型。
權(quán)利要求
1.一種發(fā)光二極管散熱裝置組合，包括一電路板，電連接于該電路板上的至少一發(fā)光二極管及置于電路板另一側(cè)的散熱器，其特征在于電路板上設(shè)有貫穿的若干通孔，該通孔內(nèi)填充有由納米材料與高分子材料制成的第一熱界面材料，該第一熱界面材料將發(fā)光二極管和散熱器熱性連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于還包括 填充于發(fā)光二極管與電路板之間由納米材料與高分子材料制成的第二熱界面 材料以及填充于電路板與散熱器之間由納米材料與高分子材料制成的第三熱 界面材料。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該 納米材料選自納米碳管或納米顆粒。
4. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該第一、 第二、第三熱界面材料由石蠟、納米碳管及N-N二甲基甲酰胺形成的非陣列 式石蠟相變納米碳管熱界面材料。
5. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該散熱 器包括一柱狀熱管，其軸向的一端形成為平整的端面，該至少一發(fā)光二極管 設(shè)置于該熱管的端面上。
6. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該散熱 器包括一柱狀熱管，其徑向的一側(cè)形成為平整的平面，該至少一發(fā)光二極管 設(shè)置于該熱管的平面上。
7. 如權(quán)利要求1所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該散熱 器包括一平板狀的蒸發(fā)腔，其一面形成為平整的表面，該至少一發(fā)光二極管 設(shè)置于該蒸發(fā)腔的所述表面上。
8. 如權(quán)利要求5至6中任意一項(xiàng)所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特 征在于所述熱管由鋁材質(zhì)經(jīng)擠壓一體制成，其管體外表面還一體鋁擠成型 有若干散熱片。
9. 如權(quán)利要求7所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于所述蒸 發(fā)腔由鋁材質(zhì)經(jīng)擠壓一體制成，其腔體外表面還一體鋁擠成型有若干散熱片。
10. 如權(quán)利要求8所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于所述 熱管的內(nèi)側(cè)壁上還與管壁一體成型有若干微細(xì)的溝槽。
11. 一種發(fā)光二極管散熱裝置組合，包括一電路板、電連接于該電路板 上面的至少一發(fā)光二極管及與電路板相連接一散熱器，其特征在于該電路 板上設(shè)有若干貫穿的通孔，該通孔內(nèi)填充有由納米材料與高分子材料制成的 第一熱界面材料，該散熱器包括一傳熱元件，該傳熱元件內(nèi)設(shè)置有產(chǎn)生相變 化作用的工作流體，該第一熱界面材料將發(fā)光二極管和該傳熱元件熱性連接。
12. 如權(quán)利要求ll所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于還包 括填充于發(fā)光二極管與電路板之間由納米材料與高分子材料制成的第二熱界 面材料以及填充于電路板與傳熱元件之間由納米材料與高分子材料制成的第 三熱界面材料。
13. 如權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該傳 熱元件為柱型熱管與蒸發(fā)腔中的一種。
14. 如權(quán)利要求11所述的發(fā)光二極管散熱裝置組合，其特征在于該傳 熱元件由鋁材質(zhì)經(jīng)鋁擠一體成型，并于外表面一體形成若干散熱片。
全文摘要
一種發(fā)光二極管散熱裝置組合，包括一電路板，電連接于該電路板上的至少一發(fā)光二極管及置于電路板另一側(cè)的散熱器，電路板上設(shè)有貫穿的若干通孔，該通孔內(nèi)填充有由納米材料與高分子材料制成的第一熱界面材料，該第一熱界面材料將發(fā)光二極管和散熱器熱性連接，利用該由納米材料與高分子材料制成的第一熱界面材料的高熱傳導(dǎo)性能迅速將該發(fā)光二極管所產(chǎn)生的熱量傳遞至散熱器，從而達(dá)到減小熱阻的功效，有效解決高發(fā)熱量發(fā)光二極管的散熱問題。
文檔編號H01L33/00GK101202317SQ20061015753
公開日2008年6月18日 申請日期2006年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月15日
發(fā)明者劉睿凱, 張長生, 王肇浩, 白先聲 申請人:富準(zhǔn)精密工業(yè)(深圳)有限公司;鴻準(zhǔn)精密工業(yè)股份有限公司